Нейробиологи из Института обучения и памяти Пикоуэра при Массачусетском технологическом институте (MIT) выяснили, каким образом мозг кодирует сведения на разных этапах принятия решения. Результаты работы показывают, что мозг удерживает варианты выбора в ясном виде и сохраняет в памяти как выбранную, так и отвергнутую опции. Исследование опубликовано в журнале iScience.
Как показали учёные, ключевую роль играет формирование нейронных ансамблей — групп клеток, которые создают согласованные картины электрической активности. Эти ансамбли по-разному представляют и упорядочивают варианты как во время их рассмотрения, так и после того, как выбор сделан. «Мозг удерживает разные нейронные ансамбли, разные мысли отдельно друг от друга, не давая им смешиваться», — приводит слова старшего автора работы Эрла К. Миллера, профессора Института Пикоуэра в департаменте наук о мозге и когнитивных наук MIT, пресс-служба института.
Ведущий автор исследования Хуэйди Ли, аспирантка лаборатории Миллера, отмечает, что полученные данные демонстрируют динамичную реакцию мозга на задачи, связанные с выбором. «Мозг не просто хранит информацию в статичном виде. На протяжении всего процесса принятия решения он гибко перестраивает её представление, чтобы соответствовать меняющимся требованиям задачи», — пояснила Ли.
В ходе эксперимента двух животных обучили игре: им нужно было посмотреть в сторону одной из двух указанных на экране целей, выбрав ту, которой была присвоена более высокая награда. Варианты и их ценность предъявлялись последовательно — сначала одна цель, затем её значение, потом вторая цель и её значение. Таким образом, мозгу приходилось одновременно удерживать несколько представлений о каждой цели, например порядок предъявления до решения и статус выбранной или невыбранной после него. Во время каждой игры исследователи регистрировали электрическую активность сотен нейронов в латеральной префронтальной коре — области на поверхности мозга, которая, как известно, играет ключевую роль в связывании вариантов, их ценности и действий при принятии решений.
С помощью алгоритмов-«деклассификаторов» для расшифровки электрических паттернов учёные установили, что нейроны действуют как функциональные ансамбли. Их коллективная активность отчётливо указывала на информацию, связанную с решением, включая направления целей и присвоенные им значения. Чтобы интерпретировать и сравнивать паттерны каждого ансамбля, исследователи визуализировали эти «подпространства» геометрически в виде плоскостей на трёхмерном графике. Главный вывод состоял в том, что до присвоения значений и принятия решения нейронные ансамбли стабильно представляли варианты в зависимости от порядка их предъявления: плоскости «цели 1» были параллельны друг другу, как и плоскости «цели 2», но при этом цели 2 располагались более ортогонально, то есть перпендикулярно, по отношению к целям 1, что говорило об их совершенно разном представлении. После решения возникали новые ансамбли и новые представления: выбранные варианты, независимо от порядка предъявления, получали параллельные представления, а невыбранные цели также были параллельны между собой, но ортогональны выбранным.
Иными словами, до решения мозг собирал ансамбли нейронов, чтобы различать цели по порядку их предъявления, а после решения формировал ансамбли, сортирующие их по признаку выбранной или отвергнутой опции. По словам Ли и Миллера, такой единообразный способ представления выбранных вариантов может помогать принятию решений, поскольку фактически «упаковывает» его для нижележащих цепей, отвечающих за преобразование решения в действие — в данном случае за направление взгляда животного на выбранную цель. «Наблюдаемое выравнивание представлений выбранной цели могло бы позволить нижележащим областям считывать её местоположение одним декодером независимо от исходного порядка предъявления», — написали авторы. Кроме того, исследователи обнаружили, что от раунда к раунду отдельные нейроны могли переходить в разные ансамбли: клетка, которая в одном раунде казалась «настроенной» на вариант 2, в следующем могла реагировать на вариант 1. Таким образом, ансамбли представляли собой не постоянные цепи специализированных нейронов, а временные объединения многофункциональных клеток. В других работах Миллер выяснил, что для быстрого и гибкого набора таких ансамблей мозг использует мозговые волны. Ещё один вывод из данных состоит в том, что мозг сохранял отдельные воспоминания о каждом варианте — как выбранном, так и отвергнутом. Это может быть важно для последующего закрепления результата и обучения, например для запоминания того, что выбор цели 2 в третьем раунде принёс награду. «Наши результаты иллюстрируют динамическую реорганизацию подпространств, которая поддерживает удержание и выбор вариантов при экономических решениях», — отметили авторы. Помимо Ли и Миллера, в числе авторов статьи — Николаос Хрисанфидис, Скотт Бринкат и Йонас Розе. Исследование поддержали Управление военно-морских исследований США, Управление армейских исследований США, фонд Freedom Together Foundation и Национальные институты здравоохранения США.